Procesamitechnologicznymiwykorzystywanyminaskalêprzemys³ow¹doprodukcjienergiielektrycznejprzywykorzystaniuwódgeotermalnychoniskiejentalpiijestObiegOrganicznyRankine’a(ORC)orazCyklKaliny.Wobuprzypadkachwodageotermalnawydobywanaotworemprodukcyjnymoddajeciep

Micha³ KACZMARCZYK Akademia Górniczo-Hutnicza

Wydzia³ Geologii, Geofizyki i Ochrony Œrodowiska Katedra Surowców Energetycznych

30-059 Kraków, al. Mickiewicza 30

Technika Poszukiwañ Geologicznych Geotermia, Zrównowa¿ony Rozwój nr 1–2/2011

WYKORZYSTANIE ENERGII GEOTERMALNEJ DO PRODUKCJI PR¥DU ELEKTRYCZNEGO Z ZASTOSOWANIEM OBIEGU ORGANICZNEGO

RANKINE’A LUB CYKLU KALINY – PRZEGL¥D INSTALACJI DZIA£AJ¥CYCH NA ŒWIECIE

STRESZCZENIE

Elektrownie geotermalne, w których produkcja pr¹du elektrycznego oparta jest na Obiegu Organicznym Rankine’a (ang. Organic Rankine Cycle – ORC) lub Cyklu Kaliny staj¹ siê coraz bardziej powszechnym roz- wi¹zaniem wykorzystania energii geotermalnej. Na œwiecie dzia³a obecnie 75 tego typu elektrowni, z czego tylko w trzech wykorzystano Cykl Kaliny. S¹ to instalacje w Husaviku (Islandia), Unterhaching i Bruchsal (Niemcy). Co godne uwagi, a¿ 37 elektrowni geotermalnych wykorzystuj¹cych ORC dzia³a w USA. Niniejsza praca zawiera opis najbardziej interesuj¹cych wed³ug autora elektrociep³owni binarnych na œwiecie.

S£OWA KLUCZOWE

Elektrownia geotermalna, Obieg Organiczny Rankine’a, Cykl Kaliny

* * *

WPROWADZENIE

Procesami technologicznymi wykorzystywanymi na skalê przemys³ow¹ do produkcji energii elektrycznej przy wykorzystaniu wód geotermalnych o niskiej entalpii jest Obieg Organiczny Rankine’a (ORC) oraz Cykl Kaliny. W obu przypadkach woda geotermalna wydobywana otworem produkcyjnym oddaje ciep³o w parowniku (wymienniku ciep³a)

Recenzowa³ dr in¿. Leszek Paj¹k

Artyku³ wp³yn¹³ do Redakcji 20.05.2011 r., zaakceptowano do druku 30.06.2011 r.

czynnikowi roboczemu o znacznie ni¿szej ni¿ woda geotermalna temperaturze wrzenia, jednoczeœnie go odparowuj¹c. W przypadku instalacji ORC s¹ to czynniki organiczne, natomiast w przypadku instalacji bazuj¹cych na Cyklu Kaliny mieszanina amoniak–woda.

Energia zakumulowana w parach czynnika roboczego skierowanych na turbinê po³¹czon¹ z generatorem, zamieniana jest na energiê mechaniczn¹ ruchu obrotowego ³opatek wirnika, co w nastêpstwie pozwala na produkcjê energii elektrycznej. Wykorzystany w ten sposób czynnik roboczy jest nastêpnie skraplany w skraplaczu i kierowany do parownika, gdzie cykl rozpoczyna siê od nowa.

Stosowanie tego typu rozwi¹zañ jest wynikiem niemo¿noœci zastosowania metod bezpo- œrednich produkcji elektrycznoœci oraz d¹¿eñ do poprawy efektywnoœci wykorzystania w tym celu wód geotermalnych. W zwi¹zku z powy¿szym, elektrownie geotermalne, w których pro- dukcja energii elektrycznej oparta jest na Obiegu Organicznym Rankine’a (ORC) lub Cyklu Kaliny staj¹ siê coraz bardziej powszechnym rozwi¹zaniem wykorzystania energii geotermalnej.

Na œwiecia dzia³a obecnie 75 tego typu elektrowni, z czego tylko w trzech wykorzystano Cykl Kaliny. S¹ to instalacje w Husaviku (Islandia), Unterhaching i Bruchsal (Niemcy). Co godne uwagi, a¿ 37 elektrowni gotermalnych wykorzystuj¹cych ORC dzia³a w USA. Niniejsza praca zawiera opis najbardziej interesuj¹cych wed³ug autora elektrowni binarnych na œwiecie.

1. AFRYKA – ETIOPIA, KENIA

Na kontynencie afrykañskim pr¹d elektryczny przy wykorzystaniu ORC produkowany jest w Etiopii i Keni. Dzia³aj¹ tam trzy instalacje o ³¹cznej mocy zainstalowanej 59,28 MWe.

Produkcja pr¹du przy wykorzystaniu ORC w Etiopii ma miejsce na polu geotermalnym Langano. Instalacja zosta³a oddana do u¿ytku w roku 1999, a jej moc zainstalowana wynosi 7,28 MWe. Obecnie wykorzystywane jest niespe³na 4 MWe, a roczna produkcja elektrycz- noœci wynosi 75 GWh/rok (Teklemariam i in. 2010). Obecnie woda geotermalna o tem- peraturze blisko 300°C eksploatowana jest dwoma otworami produkcyjnymi z g³êbokoœci oko³o 2300 m. Czynnikiem roboczym jest n-pentan (Tassew 2010).

W Kenii dzia³aj¹ trzy elektrownie geotermalne ORC: Olkaria III, Oserian oraz Eburru Pilot. Najwiêksz¹ spoœród nich jest Olkaria III, której docelowa moc zainstalowana ma wynieœæ 100 MWe. Dotychczas zrealizowano trzy etapy prac nad jej powstaniem; 8 MWe zosta³o oddane do u¿ytku w paŸdzierniku 2000 roku, 4 MWe w grudniu 2000 roku, a w 2008 roku (m.in. dziêki wykonaniu dodatkowych 9 odwiertów o g³êbokoœciach 1850–2750 m)

³¹czna moc zainstalowana wynios³a 48 MWe (Simiyu 2010).

Oserian to elektrownia o mocy 2 MWe, oddana w lipcu 2004 roku (wykorzystuje odwiert produkcyjny OW-306 znajduj¹cy siê na polu geotermalnym Olkaria). Instalacja jest o tyle interesuj¹ca, ¿e produkowana w niej energia elektryczna zasila farmê kwiatów ciêtych (Oserian Development Company Ltd.).

Badania nad mo¿liwoœci¹ wykorzystania energii geotermalnej w Eburru zosta³y prze- prowadzone w latach 1987–1990 (w latach 1989–1991 wykonano 6 odwiertów). Dopiero

w roku 2006 powsta³a jednak koncepcja wykorzystania energii geotermalnej do produkcji pr¹du, a przewidywana moc zainstalowana zosta³a okreœlona na poziomie 60 MWe, co by³o efektem wysokiej udokumentowanej temperatury na poziomie oko³o 285°C. Obecnie powsta- je instalacja pilota¿owa o mocy 2,5 MWe (Simiyu 2010).

2. AUSTRALIA I OCEANIA

Na obszarze Australii i Oceanii dzia³a obecnie 15 elektrowni geotermalnych ORC, z czego trzy w Australii, a pozosta³e w Nowej Zelandii (archipelag ten jest najbardziej na po³udnie wysuniêt¹ czêœci¹ Oceanii).

Birdsville to jedyna instalacja geotermalna w Australii, gdzie mamy do czynienia z pro- dukcj¹ pr¹du elektrycznego. Elektrownia dzia³a na obszarze Wielkiego Basenu Artezyjskiego od 1992 roku, a jej moc zainstalowana wynosi 80 kWe. Produkcja energii elektrycznej oscyluje na poziomie 0,5 GWh/rok. Woda geotermalna wydobywana jest z g³êbokoœci 1280 m. Charakteryzuje j¹ temperatura 98°C na wyp³ywie, natomiast wydajnoœæ otworu produkcyjnego wynosi oko³o 97 m³/h. Operatorem elektrowni jest firma Ergon Energy, która rozwa¿a mo¿liwoœæ wykonania kolejnego otworu produkcyjnego, co powinno umo¿liwiæ zwiêkszenie mocy zainstalowanej do 300 kWe.

W Nowej Zelandi dzia³a 12 elektrowni ORC o ³¹cznej mocy zainstalowanej ponad 76,4 MWe. Najm³odsze z nich, obie oddane w 2008 roku, to Kawerau KA24 oraz Northland Ngwaha 2. Na uwagê za³uguje ponadto instalacja Mokai 1A oddana w 2007 roku, która mo¿e pochwaliæ siê najwiêksz¹ moc¹ zainstalowan¹ spoœród elektrowni ORC w Nowej Zelandi, 17 MWe (Harvey i in. 2010).

Tabela 1 Produkcja pr¹du przy wykorzystaniu ORC w Afryce

(na podstawie Teklemariam 2010 oraz Simiyu 2010)

Table 1 Electricity production with use of ORC in Africa (Teklemariam 2010; Simiyu 2010

Kraj Nazwa Rok

otwarcia

Liczba

jed. Moc zainst. MWe Produkcja GWh/rok

Udzia³ w ca³k.

mocy zainst.

Udzia³ w ca³k.

mocy wyk.

Etiopia Aluto-Langano 1999 2

7,28 (wykorzystywane

4 MWe)

75

7,28/7,28 MWe 4,0/4,0 MWe

100% 100%

Kenia Olkaria III 2000, 2008 2 48 (docelowo 100

MWe) 52/167 MWe

31,14%

Kenia Oserian 2004, 2007 2 4

Kenia Eburru Pilot docelowo 2,5 MWe

Tabela 2 Produkcja pr¹du przy wykorzystaniu ORC w Australii i Oceani (na podstawie Beardsmore 2010 oraz

Harvey i in. 2010)

Table 2 Electricity production with the use of ORC in Australia and Oceania (Beardsmore 2010; Harvey

et al. 2010)

Kraj Nazwa Rok

otwarcia Liczba

jed.

Moc zainst.

MWe

Produkcja GWh/rok

Udzia³ w ca³k.

mocy zainst.

Udzia³ w ca³k.

mocy wyk.

Australia Innamincka

Habanero 2010 1 1 chwilowo nie

dzia³a 0,08/0,08 MWe 0,08/0,08 MWe

Australia Birdsville 1992 1 0,08 0,5 100% 100%

Australia Mulka 1987 1 0,02 zamkniêta

Nowa Zelandia

Wairakei

Binary 2005 3 14,4 128 Bez 1F+B

76,4/628 MWe Nowa

Zelandia Kawerau TG1 1989 2 2,4 8 12,17%

Nowa

Zelandia Kawerau TG2 1993 1 3,5 26

Nowa Zelandia

Kawerau

KA24 2008 1 8,3 30 Z 1F+B

199,4/628 MWe Nowa

Zelandia Rotokawa 1997 4 29 (1F+B) 273 31,75%

Nowa Zelandia

Rotokawa

Extension 2003 1 6

Nowa Zelandia

Northland /

Ngawha 1998 2 10 140

Nowa Zelandia

Northland /

Ngwaha 2 2008 1 15

Nowa

Zelandia Mokai 1 1999 6 55 (1F+B) 927

Nowa

Zelandia Mokai 2 2005 5 39 (1F+B)

Nowa

Zelandia Mokai 1A 2007 1 17

Nowa Zelandia

Tauhara / Centennial Drive

planowana 23

1F – jednostopniowe rozprê¿enie wody geotermalnej.

B – system binarny.

3. AZJA – CHINY, FILIPINY, JAPONIA

Na kontynencie azjatyckim dzia³aj¹ obecnie trzy elektrownie geotermalne ORC, których

³¹czna moc zainstalowana wynosi oko³o 144 MWe. Stosunkowo du¿a moc zainstalowana jest przede wszystkim zas³ug¹ elektrowni Upper Mahiao na Filipinach o mocy zainstalowanej 142 MWe oraz produkcji pr¹du 765 GWh/rok (Ogena i in. 2010). £¹czna produkcja elektrycz- noœci dla wspomnianych trzech instalacji wynosi 776,22 GWh/rok.

Z wymienionych w tabeli 3 instalacji w Chinach, Nagqu i Tuchang zosta³y stosunkowo szybko zamkniête z powodu nieop³acalnoœci ekonomicznej. Inaczej sytuacja wygl¹da³a w przypadku Fengshun oraz Huitang, które swoje dzia³anie zakoñczy³y z powodu wyeks- ploatowania materia³ów konstrukcyjnych.

W Japonii dzia³aj¹ obecnie dwie elektrownie ORC. Na uwagê zas³uguje elektrownia w Hatchobaru, która zosta³a ukoñczona w lutym 2004 roku, przy czym na skalê komercyjn¹ zaczê³a pracowaæ po dwóch latach testów i optymalizacji, a wiêc w kwietniu 2006 roku.

Druga z elektrowni dzia³a przy Kirishima Kokusai Hotel od paŸdziernika 2006 roku. Jej moc zainstalowana wynosi 220 kWe (Sugino i in. 2010).

Tabela 3 Produkcja pr¹du przy wykorzystaniu ORC w Azji (na podstawie Zheng i in. 2010; Ogena i in. 2010;

Sugino i in. 2010)

Table 3 Electricity production with the use in Asia (Zheng et al. 2010; Ogena et al. 2010;

Sugino et al. 2010)

Kraj Nazwa Rok

otwarcia

Liczba jed.

Moc zainst.

MWe

Produkcja GWh/rok

Udzia³ w ca³k.

mocy zainst.

Udzia³ w ca³k.

mocy wyk.

Chiny Tybet/Nagqu 1993 1 1 zamkniêta 0/24,18 MWe 0/22,5 MWe

Chiny Fengshun 1970–2008 1 0,3 zamkniêta 0% 0%

Chiny Huitang 1975–2008 1 0,3 zamkniêta

Chiny Taiwan/Tuchang 1985 1 0,3 chwilowo nie

dzia³a Filipiny Mak Ban / Binary 1994 3 15,7 chwilowo nie

dzia³a

157,59/1902,32 MWe

141,89/1773,62 MWe Filipiny Leyte / Upper

Mahiao 1996 4 141,89 764,816 8,28% 8%

Japonia Otia (Hatchobaru) 2006 1 2 10,7 2,22/535,26

MWe 2,2/422,3 MWe

Japonia

Kagoshima (Kirishima Kokusai Hotel)

2006 1 0,22 (0,2) 0,7 0,41% 0,52%

4. EUROPA – AUSTRIA, ISLANDIA, NIEMCY, PORTUGALIA, TURCJA

W Europie dzia³a obecnie 18 elektrowni geotermalnych, których ³¹czna moc zainsta- lowana wynosi ponad 66 MWe. Najwiêcej tego typu elektrowni dzia³a w Niemczech – cztery.

S¹ to zarówno rozwi¹zania oparte na Obiegu Organicznym Rankine’a jak i Cyklu Kaliny.

4.1. Austria

Na obszarze Austrii dzia³aj¹ obecnie trzy elektrociep³ownie geotermalne ORC: Bad Blumau, Altheim oraz Simbach/Braunau. Informacje na temat dwóch pierwszych mo¿na znaleŸæ w publikacji (Kaczmarczyk 2009).

Instalacja w Simbach/Braunau jest projektem demonstracyjnym (pilota¿owym), reali- zowanym na granicy Austrii (miejscowoœæ Simbach) oraz Niemiec (Braunau, Bawaria).

W Simbach/Braunau wykorzystywany jest dublet geotermalny, a g³êbokoœci otworów wyno- sz¹ odpowiednio 1850 m (otwór ch³onny) oraz 1970 m (otwór produkcyjny). Temperatura wody geotermalnej na wyp³ywie wynosi 80°C, a wydajnoœæ otworu produkcyjnego oscyluje na poziomie 125 m³/h (35 l/s) przy samowyp³ywie wody geotermalnej na powierzchniê oraz 270 m³/h (75 l/s) przy wykorzystaniu pomp g³êbinowych. Sieæ ciep³ownicza ma d³ugoœæ 30 km, a przy³¹czonych jest do niej 750 odbiorców. Moc zainstalowana wynosi 200 kWe (zastosowano czynnik roboczy R134a), a moc cieplna 40 MWt (z geotermii 6,5–7 MWt, szczytowe Ÿród³o ciep³a stanowi kot³ownia gazowo-olejowa). Sprzeda¿ ciep³a oscyluje na poziomie 65 000 MWh rocznie.

4.2. Francja

We Francji dzia³a jedna elektrociep³ownia ORC w Soult-sous-Forets. Miejsowoœæ po³o-

¿ona jest w obrêbie Rowu Górnego Renu (Baumgärtner i in. 2005). W przypadku Soult-sous-Forets mowa o wykorzystaniu ciep³a suchych gor¹cych ska³ (granity) zalegaj¹- cych na g³êbokoœci wiêkszej ni¿ 1500 m (Baumgärtner i in. 2005). Woda wprowadzona otworem zat³aczaj¹cym GPK3 wêdruje systemem spêkañ i szczelin ogrzewaj¹c siê, po czym trafia do otworów produkcyjnych GPK2 i GPK4, którymi wydobywana jest na powierzchniê terenu, gdzie zgromadzone w niej ciep³o wykorzystywane jest do produkcji pr¹du elek- trycznego. System szczelin znajduje siê na g³êbokoœci 4250 m, a temperatura na dnie otworów wynosi oko³o 200°C (Fritsch 2008).

Temperatura wody po odebraniu ciep³a od granitów wynosi na powierzchni terenu oko³o 185°C przy wydajnoœci otworów produkcyjnych 250–300 m³/h. Zainstalowana moc cieplna wynosi 50 MWt, natomiast elektryczna 2,2 MWe (Boissier i in. 2010), przy czym docelowo ma to byæ wartoœæ 5–6 MWe (Genter 2008). Produkcja elektrycznoœci odbywa siê przy wykorzystaniu ORC, w którym czynnikiem roboczym odbieraj¹cym ciep³o od wody jest izobutan.

4.3. Islandia

Na Islandii dzia³aj¹ dwie elektrownie geotermalne wykorzystuj¹ce czynniki niskowrz¹ce.

S¹ to: Husavik – pierwsza na œwiecie elektrownia oparta na Cyklu Kaliny (wiêcej informacji w publikacji Kaczmarczyk 2009) oraz Svartsengi o mocy zainstalowanej 8,4 MWe i pro- dukcji pr¹du na poziomie 60 GWh/rok (Ragnarsson 2010).

4.4. Niemcy

Obecnie w Niemczech dzia³aj¹ 4 elektrociep³ownie geotermalne. S¹ to instalacje w Neu- stadt-Glewe (230 kWe), Unterhaching (3,36 MWe), Bruchsal (550 kWe) oraz Landau (3 MWe).

Informacje na temat dwóch pierwszych mo¿na znaleŸæ w publikacji (Kaczmarczyk 2009).

Bruchsal zlokalizowane jest we wschodniej czêœci Rowu Górnego Renu. Pocz¹tki prac wiertniczych zwi¹zanych z wykorzystaniem wody geotermalnej w Bruchsal siêgaj¹ 1979 roku. Do eksploatacji wód geotermalnych o temperaturze oko³o 120°C wykorzystywany jest dublet geotermalny, a wydajnoœæ otworu produkcyjnego wynosi oko³o 100 m³/h. Produkcja pr¹du w Bruchsal odbywa siê dziêki wykorzystaniu Cyklu Kaliny. Prace nad powstaniem elektrowni trwa³y od pocz¹tku 2007 roku do koñca 2008 roku. Moc zainstalowana elektrowni wynosi 550 kWe, co w przysz³oœci pozwoliæ ma na produkcjê oko³o 4400 MWh rocznie.

Realizacjê projektu elektrowni geotermalnej ORC w Landau rozpoczêto w 2003 roku, a zakoñczono w 2007. Moc zainstalowana wynosi 3 MWe, co przek³ada siê na produkcjê 22 GWh/rok (Quick i in. 2010). Pr¹d zasila blisko 6000 gospodarstw domowych, co pozwala na zmniejszenie emisji CO2do atmosfery na poziomie 6000 ton/rok (wynik ten jest tak¿e efektem produkcji 9,2 GWh/rok ciep³a przy wykorzystaniu wód geotermalneych; moc zainstalowana dla potrzeb produkcji ciep³a wynosi 3–6 MWt). Woda geotermalna wykorzystywana do produkcji pr¹du charakteryzuje siê temperatur¹ oko³o 155–160°C (Quick i in. 2010). Wydobywana jest z g³êbokoœci 3300 m (Landau GTL A-1) z wydajnoœci¹ 180–290 m^3/h (50–80 l/s). Dublet geotermalny uzupe³nia odwiert ch³ony Landau GTL A-2 o g³êbokoœci 3340 m.

4.5. Portugalia

W Portugali dzia³aj¹ dwie elektrownie ORC, w Ribeira Grande oraz w Pico Vermelho.

Elektrownia w Ribeira Grande powstawa³a w dwóch etapach, pierwszy z nich obejmowa³ zainstalowanie dwóch turbogeneratorów o mocy 2,5 MWe ka¿dy, drugi etap z kolei dwóch turbogeneratorów o mocy 5 MWe ka¿dy. Elektrownia w Pico Vermelho, dzia³aj¹ca od listopada 2006, zast¹pi³a pilota¿ow¹ elektrowniê o mocy 3 MWe, która dzia³a³a w tym miejscu od 1980 roku.

Roczna produkcja pr¹du elektrycznego w Portugalii dziêki wykorzystaniu energii geoter- malnej wynosi oko³o 170 GWh, co pozwala na zaspokojenie potrzeb wyspy São Miguel (39%) oraz regionu Azores (20%). W 2012 roku przewiduje siê oddanie kolejnej elektrowni geotermalnej w Pico Alto o mocy 12 MWe (Cabeças i in. 2010).

4.6. Turcja

W Turcji dzia³aj¹ obecnie dwie elektrownie ORC. S¹ to elektrownia Aydin/Salavatli Dora-1 o mocy zainstalowanej 7,36 MWe oraz m³odsza o dwa lata (2008 rok) elektrownia Bereket o mocy zainstalowanej 6,85 MWe (Mertoglu i in. 2010). £¹czna moc zainstalowana elektrowni ORC wzroœnie po oddaniu dwóch kolejnych instalacji o mocy 7,5 MWe ka¿da.

Mowa o obiektach Salavatii Dora-2 (pole geotermalne Aydin) oraz Tuzla (pole geotermalne Canakkle).

Tabela 4 Produkcja pr¹du przy wykorzystaniu ORC oraz Cyklu Kaliny w Europie (na podstawie Goldbrunner

2010; Ragnarsson 2010; Schellschmidt i in. 2010; Cabeças i in. 2010; Mertoglu i in. 2010) Table 4 Electricity production woth the use of ORC and Kalina Cycle in Europe (Goldbrunner 2010;

Ragnarsson 2010; Schellschmidt et al. 2010; Cabeças et al. 2010; Mertoglu et al. 2010)

Kraj Nazwa Rok

otwarcia Liczba

jed.

Moc zainst.

MWe

Produkcja GWh/rok

Udzia³ w ca³k.

mocy zainst.

Udzia³ w ca³k.

mocy wyk.

Austria Bad Blumau 2001 1 0,2 1,2 1,4/1,4 MWe 1,4/1,4 MWe

Austria Altheim 2002 1 1 2 100% 100%

Austria Simbach / Braunau 2009 1 0,2 0,6

Francja Soultz-sous-Forets 2008 1 2,2 0,6 2,2/17,2 MWe

12,79%

Islandia Svartsengi 1989/93 7 8,4 60 10,4/572,6

MWe

Islandia Husavik 2000 1 2 0 1,82%

Niemcy Neustadt-Glewe 2003 1 0,23 1748 6,59/6,59 MWe 6,59/6,59 MWe

Niemcy Landau 2008 1 3 22800

Niemcy Unterhaching 2009 1 3,36 25536

Niemcy Bruchsal 1 0,55 planowana 4400 100% 100%

Niemcy Neurid 1 2,3

Portugalia Ribeira Grande /

Phase I 1994 2 6 77 28,5/28,5 MWe 23/23 MWe

Portugalia Ribeira Grande /

Phase II 1998 2 9 100% 100%

Portugalia Pico Vermelho 2006 1 13,5 98

Turcja Aydin / Salavatli

Dora-1 2006 1 7,36 / 6,5 14,21/81,61

MWe 11,5/73,9 MWe

Turcja Bereket 2008 1 6,85 / 5 17,41% 15,56%

Turcja Aydin / Salavatli

Dora-2 1 planowana

7,5 MWe Turcja Canakkle / Tuzla 1 planowana

7,5 MWe

5. AMERYKA PÓ£NOCNA – USA, MEKSYK

W Ameryce Pó³nocnej energia geotermalna wykorzystywana jest do produkcji pr¹du przy wykorzystaniu ORC w dwóch krajach. S¹ to USA oraz Meksyk.

W USA dzia³a 37 elektrowni ORC, co bior¹c pod uwagê iloœæ tego typu elektrowni na œwiecie (66) jest wynikiem imponuj¹cym. Dwie najstarsze elektrownie, otwarte w 1984 roku, to Wabuska (Nevada) o mocy zainstalowanej 2,2 MWe i produkcji elektrycznoœci na po- ziomie 10,79 GWh/rok oraz elektrownia Mammoth Pacific I (Kalifornia) o mocy zainstalo- wanej 10 MWe i produkcji pr¹du prawie 41 GWh/rok (Lund i in. 2010). Zdecydowanie najwiêksz¹ elektrowni¹ geotermaln¹ ORC w Stanach Zjednoczonych jest Blue Mountain Faulkner I (Nevada) z zainstalowan¹ moc¹ 50 MWe i produkcj¹ elektrycznoœci na poziomie 177 GWh/rok. Elektrownia jest tak¿e jedn¹ z najm³odszych, zosta³a oddana do u¿ytku w 2009 roku (Lund i in. 2010). Stany Zjednoczone s¹ zdecydowanym liderem w dziedzinie pro- dukcji pr¹du elektrycznego przy wykorzystaniu energii geotermalnej. Zainstalowana moc w USA wynosi 3 093 MWe, a produkcja ponad 16 603 GWh/rok. Udzia³ elektrowni ORC w tej strukturze charakteryzuje siê na poziomie 590 MWe mocy zainstalowanej, co przek³ada siê na udzia³ 19,38% w ca³kowitej produkcji elektrycznoœci (Lund i in. 2010).

W Meksyku, na polu geotermalnym Los Azufres, dzia³aj¹ dwie elektrownie ORC, obie uruchomione w 1993 roku. Moc zainstalowana w ka¿dej z nich wynosi 1,5 MWe, co przek³ada siê na ³¹czn¹ produkcjê pr¹du na poziomie oko³o 5,8 GWh/rok (Gutiérrez-Negrín 2010).

Tabela 5 Produkcja pr¹du przy wykorzystaniu ORC w Ameryce Pó³nocnej (na podstawie Lund i in. 2010;

Gutiérrez-Negrín 2010)

Table 5 Electricity production with the use of ORC in North America (Lund et al. 2010; Gutiérrez-Negrín

2010)

Kraj Nazwa Rok

otwarcia Liczba

jed.

Moc zainst.

MWe

Produkcja GWh/rok

Udzia³ w ca³k.

mocy zainst.

Udzia³ w ca³k.

mocy wyk.

1 2 3 4 5 6 7 8

USA / Alaska Chena Hot

Springs 2006 3 0,73/0,50 3,94

bez 2F+B 590,25/3047,66

MWe

bez 2F+B 378,2/2023,51

MWe USA /

Kalifornia

IV/ Ormesa I, IE, IH

1986, 1988,

1989 1 44/14 120,6 19,38% 18,69%

USA /

Kalifornia IV/ Ormesa IE 1988 1 10/5 41,69 USA /

Kalifornia IV/ Ormesa IH 1989 1 12/6 53,62

z 2F+B 652,25/3047,66

MWe

z 2F+B 422,18/2023,51

MWe USA /

Kalifornia IV/ Ormesa II 1987 1 18 154,85 21,40% 20,86%

USA /

Kalifornia IV/ Heber II 1993 7 48/6 52,9

tab. 5 cd.

tab. 5 cont.

1 2 3 4 5 6 7 8

USA /

Kalifornia IV / Heber South 2008 1 10/0 USA /

Kalifornia Amedee 1988 2 1,6 12,61

USA / Kalifornia

Sierra Nevada Mtns.-Mono / Mammoth Pacific I

1984 4 10/5 40,86

USA / Kalifornia

Sierra Nevada Mtns.-Mono / Mammoth Pacific I

1990 3 15/11 93,25

spalphaUSA / Kalifornia

Sierra Nevada Mtns.-Mono / Mammoth Pacific I

1990 3 15/12 102,31

USA /

Kalifornia IV / Gould 2006 2 USA /

Kalifornia IV / SIGC Binary 1992 7 42 331,13

USA / Hawaje Puna 1993 10 35/30 (2F, B) 236,52

USA / Idaho Malta / Raft River 2007 15,8/11,5 90,67 USA / Nevada Churchill / Brady

Hot Springs 1992 3 27/13,98

(2F, B) 122,47 USA / Nevada Churchill / Desert

Peak II 2006 1 23/12,15 106,45

USA / NevadaFallon / Soda Lake

I 1987 4 5,1/1,14 9,95

USA / NevadaFallon / Soda Lake

II 1990 6 21/9,58 83,92

USA / Nevada Washoe /

Steamboat I 1986 7 8,4/0

USA / Nevada Washoe /

Steamboat IA 1988 2 2,95/0,03 0,3

USA / Nevada Washoe / Steamboat II

1992,

2006 2 29/10,71 93,8

USA / Nevada Washoe /

Steamboat III 1992 2 24/12,98 113,7

USA / Nevada Fallon / Stillwater 1989 1 21/7,41 64,92

USA / Nevada Wabuska 1984 3 2,2/1,23 10,79

USA / Nevada Reno / Galena vel.

Richard Burdette 2005 2 30/23,39 204,94 USA / Nevada Reno / Galena 2 2007 1 15/9,81 85,97 USA / Nevada Reno / Galena 3 2008 1 20/22,55 197,52 USA / Nevada San Emidio

(Empire) 1987 4 4,8/3,42 29,95

6. AMERYKA ŒRODKOWA – GWATEMALA, KOSTARYKA, SALWADOR

W Ameryce Œrodkowej energia elektryczna przy wykorzystaniu ORC produkowana jest w trzech krajach, s¹ to Gwatemala, Kostaryka oraz Salwador. Dzia³aj¹ w nich cztery elek- trownie o ³¹cznej mocy zainstalowanej 79,6 MWe.

Badania nad mo¿liwoœci¹ wykorzystania energii geotermalnej w Gwatemali na obszarze Zunil rozpoczêto w 1997 roku. Objê³y one obszar 310 km²sk³adaj¹cy siê z dwóch czêœci:

Zunil I oraz Zunil II. Prace wiertnicze na obszarze Zunil I rozpoczêto w 1981 roku. Osza- cowano, ¿e zbiornik mo¿e byæ eksploatowany przez 25 lat, a moc elektrowni wyniesie 24 MWe. Obecnie elektrownia Orzunil wykorzystuje 16 MWe zainstalowanej mocy (Asturias i in. 2010). W roku 2005 wykonano we wschodniej i zachodniej czêœci zbiornika dwa kolejne odwierty produkcyjne do g³êbokoœci 1500 m. Szacuje siê, ¿e dziêki ich wykonaniu mo¿liwe bêdzie wykorzystanie dodatkowych 5 MWe zainstalowanej mocy.

Druga z elektrowni ORC dzia³a w San Vicente Pacaya (pole geotermalne Amatitlán).

Podobnie jak Orzunil powsta³a dziêki zaanga¿owaniu firmy Ormat Inc., która w 2001 roku uzyska³a koncesjê na wybudowanie elektrowni o ³¹cznej mocy 50 MWe do roku 2011. Póki co, moc zainstalowana wynosi 24 MWe (Asturias i in. 2010).

Na Kostaryce dzia³aj¹ dwie elektrownie geotermalne ORC. Miravalles V zosta³a oddana do u¿ytku w 2003, a jej moc zainstalowana wynosi 21 MWe, co przek³ada siê na produkcjê pr¹du na poziomie oko³o 108 GWh/rok. Zdecydowanie bardziej interesuj¹ca jest jednak druga z elektrowni – Pailas I, która rozpoczê³a pracê w 2011 roku. Projekt nie zosta³ jeszcze tab. 5 cd.

tab. 5 cont.

1 2 3 4 5 6 7 8

USA / Nevada Fallon / Salt Wells 2009 18,6 97,76 USA / Nevada Fallon / Stillwater II 2009 47,3 248,61 USA / Nevada Humboldt / Blue

Mountain Faulkner I 2009 50/45 177,39

USA / Nowy Meksyk

Hidalgo County /

Lightning Dock 2008 1 0,24/0,15 0,54 USA / Oregon Klamath Falls / OIT 1 2009 1 0,28/0,15 0,11

USA / Utah Roosevelt Hot

Springs / Blundell II 2007 11/10 99,52 USA / Utah Beavery County /

Thermo I 2009 50 14/10 59,12

USA / Wyoming

Casper /

RMOTC-GHCG 2008 1 0,25/0,15 0,48

Meksyk Los Azufres U-11 1993 1 1,5 2,76 3/958 3/958

Meksyk Los Azufres U-12 1993 1 1,5 3,01 0,31% 0,31%

2F – dwustopniowe rozprê¿enie wody geotermalnej.

B – system binarny.

zakoñczony, gdy¿ moc zainstalowana oscyluje na poziomie 16–19 MWe, docelowo ma to byæ 35 MWe. Dla potrzeb instalacji wykonano jak na razie 10 odwiertów zlokalizowanych we wschodniej czêœci pola geotermalnego Las Pailas, z czego wykorzystywane s¹ cztery:

PGP-01 (1418 m, 246°C, 8,1 MWe), PGP-03 (1772 m, 243°C, 3,7 MWe), PGP-04 (1418 m, 232°C, 4,5 MWe), PGP-08 (1712 m, 240°C, 2,7 MWe). Kolejne planowane s¹ w czêœci pó³nocnej i zachodniej, a celem ich wykonania jest osi¹gniêcie mocy zainstalowanej 35 MWe (Moya 2010). Na powierzchniê terenu wydobywana jest mieszanina par i wód geoter- malnych, przy czym pary (89 kg/s) kierowane s¹ do parownika, natomiast woda geotermalna (377,8 kg/s) do podgrzewacza. Temperatura mieszaniny wynosi oko³o 140°C. Czynnikiem roboczym jest n-pentan.

W Salwadorze dzia³a jedna elektrownia geotermalna wykorzystuj¹ca Obieg Organiczny Rankine’a. Jej moc zainstalowana wynosi 9,4 MWe. Istalacja o nazwie Berlin UIV powsta³a w 2008 roku.

PODSUMOWANIE

Na œwiecie dzia³a 75 elektrowni geotermalnych, w których produkcja pr¹du elektrycznego oparta jest na Obiegu Organicznym Rankine’a (ORC) lub Cyklu Kaliny. Staj¹ siê one coraz bardziej powszechnym rozwi¹zaniem wykorzystania energii geotermalnej. Spoœród 66 elektrowni tylko w trzech wykorzystano nieorganiczny czynnik roboczy, którym jest mie- szanina amoniaku i wody, a wiêc Cykl Kaliny. S¹ to instalacje w Husaviku (Islandia), Unterhaching i Bruchsal (Niemcy).

Tabela 6 Produkcja pr¹du przy wykorzystaniu ORC w Ameryce Œrodkowej

(na podstawie Asturias i in. 2010; Mainieri Protti 2010; Herrera i in. 2010)

Table 6 Elektricity production with use of ORC in Middle America (Asturias et al. 2010; Mainieri Protti 2010;

Herrera et al. 2010)

Kraj Nazwa Rok

otwarcia Liczba

jed.

Moc zainst.

MWe

Produkcja GWh/rok

Udzia³ w ca³k.

mocy zainst.

Udzia³ w ca³k.

mocy wyk.

Gwatemala Zunil

(Quetzaltenango) 1999 7 24 135,48 49,2/49,2 MWe

Gwatemala San Vicente

Pacaya, Escuintla 2007 1 25,2

(docelowo 50) 136,5 100%

Kostaryka Miravalles V 2003 2 21 108 21/165,5 MWe 21/165,5

Kostaryka Pailas I 2011 2

docelowo 41 z czego 35 MWe do sieci

12,69% 12,69%

Salwador Berlin UIV 2008 1 9,4 / 8 9,4/204,4 MWe

4,60%

8/192 4,17%

Co godne uwagi, a¿ 37 elektrowni geotermalnych wykorzystuj¹cych ORC dzia³a w USA, które s¹ zdecydowanym liderem w dziedzinie produkcji pr¹du elektrycznego przy wy- korzystaniu energii geotermalnej. Zainstalowana moc w USA wynosi 3 093 MWe, a pro- dukcja ponad 16 603 GWh/rok. Udzia³ elektrowni ORC w tej strukturze charakteryzuje siê na poziomie 590 MWe mocy zainstalowanej, co przek³ada siê na udzia³ 19,38% w ca³kowitej produkcji elektrycznoœci (Lund i in. 2010).

LITERATURA

ASTURIAS F., GRAJEDA E.C., 2010 — Geothermal Resources and Development in Guatemala Country Update, Proceedings World Geothermal Congress 2010, Bali, Indonesia, 2529 April.

BAUMGÄRTNER J., TEZA D., HETTKAMP T., HOMEIER G., BARIA R., MICHELET S., 2005 — Electricity Production from Hot Rocks, Proceeding of the World Geothermal Congress, Antalya, Turkey, 24–29 April.

BEARDSMORE G.R., HILL A.J., 2010 — Australia — Country Update, Proceedings World Geothermal Congress 2010, Bali, Indonesia, 25–29 April.

BOISSIER F., DESPLAN A., LAPLAIGE P., 2010 — France Country Update, Proceedings World Geothermal Congress 2010, Bali, Indonesia, 25–29 April.

CABEÇAS R., CARVALHO J.M., NUNES J.C., 2010 — Portugal Country Geothermal Update 2010, Proceedings World Geothermal Congress 2010, Bali, Indonesia, 25–29 April.

FRITSCH D., 2008 — The EGS Pilot Plant of Soultz-sous-Forets (France): Technology, Strasbourg, France, 18 June.

GENTER A., 2008 — The EGS Pilot Plant of Soultz-sous-Forets (France): Case Study, Strasbourg, France, 18 June.

GOLDBRUNNER J., 2009 — Integration of ORC prototype to the Simbach plant, Low-Bin Final Workshop:

Braunau, Germany, 28 August.

GOLDBRUNNER J., 2010 — Austria – Country Update, Proceedings World Geothermal Congress 2010, Bali, Indonesia, 25–29 April.

GUTIÉRREZ-NEGRÍN L.C.A., MAYA-GONZÁLE R., QUIJANO-LEÓN J.L., 2010 — Current Status of Geothermics in Mexico, Proceedings World Geothermal Congress 2010, Bali, Indonesia, 25–29 April.

HARVEY C.C., WHITE B.R., LAWLESS J.V., DUNSTALL M.G., 2010 — 2005–2010 New Zealand Country Update, Proceedings World Geothermal Congress 2010, Bali, Indonesia, 25–29 April.

HERRERA R., MONTALVO F., HERRERA A., 2010 — El Salvador Country Update, Proceedings World Geothermal Congress 2010, Bali, Indonesia, 25–29 April.

KACZMARCZYK M., 2009 — Przegl¹d instalacji binarnych na œwiecie wykorzystuj¹cych wody geotermalne o temperaturze poni¿ej 150°C. Technika Poszukiwañ Geologicznych 48, z. 2, Kraków.

LUND J.W., GAWELL K., BOYD T.L., JENNEJOHN D., 2010 — The United States of America Country Update 2010, Proceedings World Geothermal Congress 2010, Bali, Indonesia, 25–29 April.

MAINIERI PROTTI A., 2010 — Costa Rica Country Update Report. Proceedings World Geothermal Congress 2010, Bali, Indonesia, 25–29 April.

MERTOGLU O., SIMSEK S., DAGISTAN H., BAKIR N., DOGDU N., 2010 — Geothermal Country Update Report of Turkey (2005–2010). Proceedings World Geothermal Congress 2010, Bali, Indonesia, 25–29 April.

MOYA P., PÉREZ L.D., 2010 — Las Pailas Geothermal Project: A 35 MW Plant. Proceedings World Geothermal Congress 2010, Bali, Indonesia, 25–29 April.

OGENA M.S., MARIA R.B. STA., STARK M.A., OCA R.A.V., REYES A.N., FRONDA A.D., BAYON F.E.B., 2010 — Philippine Country Update: 2005–2010 Geothermal Energy Development. Proceedings World Geothermal Congress 2010, Bali, Indonesia, 25–29 April.

QUICK H., MICHAEL J., HUBER H., ARSLAN U., 2010 — History of International Geothermal Power Plants and Geothermal Projects in Germany. Proceedings World Geothermal Congress 2010, Bali, Indonesia, 25–29 April.

RAGNARSSON A., 2010 — Geothermal Developement In Iceland 2005–2009. Proceedings World Geothermal Congress 2010, Bali, Indonesia, 25–29 April.

SCHELLSCHMIDT R., SANNER B., PESTER S., SCHULZ R., 2010 — Geothermal Energy Use in Germany.

Proceedings World Geothermal Congress 2010, Bali, Indonesia, 25–29 April.

SIMIYU S.M., 2010 — Status of Geothermal Exploration in Kenya and Future Plans for Its Development.

Proceedings World Geothermal Congress 2010, Bali, Indonesia, 25–29 April.

SUGINO H., AKENO T., 2010 — 2010 Country Update for Japan. Proceedings World Geothermal Congress 2010, Bali, Indonesia, 25–29 April.

TASSEW M., 2010 — Maintenance and Operational Experience Gained By Operating the Aluto Langano Geothermal Pilot Power Plant. Proceedings World Geothermal Congress 2010, Bali, Indonesia, 25–29 April.

TEKLEMARIAM M., KEBEDE S., 2010 — Strategy for Geothermal Resource Exploration and Development in Ethiopia. Proceedings World Geothermal Congress 2010, Bali, Indonesia, 25–29 April.

ZHENG K., HAN Z., ZHANG Z., 2010 — Steady Industrialized Development of Geothermal Energy in China Country Update Report 2005–2009. Proceedings World Geothermal Congress 2010, Bali, Indonesia, 25–29 April.

BINARY POWER PLANTS IN THE WORLD – A REVIEW

Abstract

Geothermal power plants, in which electricity production based on the Organic Rankine Cycle (ORC) or Kalina’

Cycle are becoming common solution to use geothermal energy. There are currently 75 such kind of geothermal power plants in the world, of which only three operates on the base of Kalina’ Cycl). These are installations in Husavik (Iceland), Unterhaching (Germany), Bruchsal (Germany). Remarkably, 37 ORC geothermal power plants working in the United States. The paper also presents the most interesting, in author opinion, binary power plants in the world.

Key words

Geothermal water, power generation, Organic Rankine Cycle, Kalina Cycle